簡要

高ΔV小型太空飛行器（如高能光子）和小型運載火箭（如Electron）將實現定期的低成本十年級科學任務，以支持科學家擴大機會並提高科學回報率。火箭實驗室對金星的任務是一個小型直接進入探測器，計劃於2023年5月進行基線發射，可容納一台約1公斤的儀器。備份啟動窗口將於 2025 年 1 月推出。探測器任務將在地表以上48-60公里的金星雲層中花費約5分鐘，並收集原位測量值。我們選擇了一種低質量、低成本的自發螢光濁度計來尋找雲顆粒中的有機分子，並限制顆粒組成。

導言

火箭實驗室已經做出了工程和財務承諾，將一項私人任務飛往金星，目標是在2023年發射，以幫助回答「我們在宇宙中是孤獨的嗎？Rocket Lab任務的具體目標是：

①在金星的雲層中尋找可居住的條件和生命跡象;

②使行星際光子上面級成熟;

③展示高性能，低成本，快速周轉的深空進入任務，通過小型太空飛行器和小型運載火箭提供十年期科學;

④在小型任務運動中邁出第一步，以更好地了解金星。

基線任務計劃於2023年5月從火箭實驗室的發射綜合體1號（LC-1）的Electron上發射，並於2025年1月獲得備用發射機會。在圍繞地球的連續相位軌道和月球重力輔助之後，將選擇發射機會，以便在2023年5月24日進行跨金星注入（TVI），正如火箭實驗室為NASA成功執行的Cislunar自主定位系統技術操作和導航實驗（CAPSTONE）任務所證明的那樣。該任務將遵循雙曲軌跡，高能光子作為巡航階段執行，然後在任務的科學階段部署一個小型探測器進入金星大氣層。在本文中，我們描述了設計用於在電子小型運載火箭上發射的光子太空飛行器（第2部分），然後討論了太空飛行器軌跡（第3部分）和大氣探測器本身（第4部分）。第5部分總結了探測器的操作概念和事件的科學階段順序。在第6部分中，我們簡要總結了2023年火箭實驗室任務的科學目標和科學儀器。

2. 光子飛船

高能光子（圖1）由火箭實驗室為NASA CAPSTONE任務開發，於2022年6月成功發射到月球，並且已經成熟，用於2024年發射到火星的NASA逃逸和等離子體加速和動力學探測器（ESCAPADE）任務，是一種自給自足的小型太空飛行器，能夠進行長時間的行星際巡航。

高能光子的電力系統是傳統的，使用光伏太陽能電池陣列和鋰聚合物二次電池。姿態控制系統包括恆星跟蹤器、太陽傳感器、慣性測量單元、反作用輪和冷氣反應控制系統（RCS）。S波段或X波段RF測距轉發器支持與深空網絡（DSN）或商業網絡的通信，並支持傳統的深空輻射導航方法。全球定位系統（GPS）接收器用於地球附近的導航。大於3公里/秒的ΔV由一個可存儲的、可重新啟動的雙推進劑推進系統提供，該系統稱為Hyper Curie，使用電動泵向推力矢量控制的發動機提供加壓推進劑。推進劑罐可實現高推進劑質量分數，並且可以按比例縮放以滿足任務特定需求。

高能光子（圖2）設計用於在火箭實驗室專用小型運載火箭Electron（圖3）上發射。Electron可以從兩個活躍的，最先進的發射場中的任何一個將高達300公斤的軌道提升到500公里的軌道：紐西蘭Mahia半島的LC-1和維吉尼亞州Wallops島上的Launch Complex 2。Electron是一種帶有Kick Stage的兩級運載火箭，高18米，直徑為1.2米，升空質量約為13000千克。Electron的發動機，25千牛盧瑟福，由液氧和煤油提供燃料，由電動泵提供燃料。盧瑟福基於一個全新的推進循環，利用無刷直流電動機和高性能鋰聚合物電池來驅動葉輪泵。Electron的Stage 1使用九個盧瑟福發動機，而Stage 2隻需要一個Lutherford真空發動機。盧瑟福是第一台對所有主要部件使用增材製造的氧氣/碳氫化合物發動機，包括蓄熱冷卻推力室，噴油泵和主推進劑閥。Electron上的所有盧瑟福發動機都是相同的，除了Stage 2上更大的膨脹比噴嘴針對近真空條件下的性能進行了優化。高能光子取代了低地球軌道（LEO）以外電子任務的踢台。

3. 軌跡

Electron首先將高能光子傳遞到地球周圍大約165公里的圓形停車軌道（圖4）。在與電子的2級分離後，高能光子執行預編程的燃燒，以建立250公里×1200公里的初步橢圓軌道。然後，高能光子通過越來越橢圓的軌道進行一系列燃燒，每次都提高遠地點高度，同時保持幾乎恆定的近地點，達到大約70，000公里的最大遠地點。在多次演習中打破出發是地球逃逸的有效方法。通過將燃燒保持在接近近地點並限制其持續時間，推進能量有效地用於提高遠地點，同時避免與長時間機動相關的燃燒損失。每次相位機動之後，都會在新的遠地點高度進行計劃數量的相位軌道。相位軌道為在軌導航、機動重建和規劃、推進系統校準和聯合篩選提供了時間。每個計劃的演習都包括應急選項，以減少聯合事件或錯過的演習。在執行名義的遠地點提升動作後，執行最終的注入燃燒，將高能光子置於逃逸軌跡上。使用超居里引擎或集成RCS的軌跡校正機動（TCM）用於對軌跡進行微調並瞄準適當的入口界面。

2023年10月，在巡航階段（圖5）之後，高能光子將瞄準一個入口接口，將一個小型（約20公斤）探測器直接部署到大氣中，其進入飛行路徑角（EFPA）在-10和-30度之間，基線為-10度。探測器通過S波段通信鏈路與半球形天線直接通信，返回在下降期間捕獲並存儲在船上的科學數據。將選擇入口界面以滿足科學目標（夜間進入和緯度目標），地球通信幾何和其他因素。EFPA將根據對進入和下降時間表，集成熱負荷和所需熱保護系統（TPS）厚度，探頭加速度（g負載）限制，導航精度和其他因素的分析來選擇。

4. 探頭

小型探測器（圖6）將包含高達1公斤的科學有效載荷，以搜索雲粒子中的有機化學物質並探索雲的可居住性，在約45-60公里高度的雲層中達到約330秒以執行科學操作。科學儀器是自發螢光濁度計（AFN）。小型探頭是直徑約40厘米的45度半角球錐鈍體，半球形後體，用於在高超音速流態下保持靜態穩定性。

探頭形狀是根據各種流動狀態（高超音速，跨音速，亞音速等）和重心位置約束中的穩定性特徵以及其他考慮因素進行交易的。

選擇探頭直徑以容納壓力容器以及儀器有效載荷，同時考慮到濁度計所需的焦距和機載系統的尺寸。將探頭電子元件安裝在壓力容器中可實現堅固的整體設計。鋁製壓力容器包含除溫度計，壓力傳感器和探頭天線之外的所有系統組件，並被結構絕緣層包圍。絕緣層將飛行計算機，無線電和儀器保持在合適的工作壓力，充當熱匯以保持允許的工作溫度，並充當腐蝕性Venusia的屏障n個大氣壓。

壓力容器壁厚由三個主要考慮因素決定：吸收來自內部組件和金星環境的熱負荷所需的材料質量，容器必須承受的壓力，以便能夠在通過雲層傳輸科學數據所需的時間，作為壓力和溫度的建立， 和製造方法。對於 2 mm 的基線厚度，驅動限制是製造最佳實踐，為熱、功率和數據預算的增加提供了一些餘量。

探頭前體TPS材料是用於極端進入環境（HEEET）的隔熱罩或碳酚醛樹脂，後部TPS材料是射頻（RF）透明且耐酸的聚四氟乙烯（PTFE，例如，特氟龍™）。

5. 操作概念

在科學階段，探測器將遵循以下事件序列（圖7），絕對時間取決於所選的EFPA（所示為−10度基線）：

最終進入接口瞄準後，探針釋放並啟動;

滑行階段（約2小時，低能狀態）;

預錄入（關鍵系統初始化，待定時）;

中繼通信開始並持續整個科學階段;

達到入口接口;

加熱脈衝，射頻停電，峰值G（進入接口後40-80秒）;

進入雲（進入界面後180秒）;

初級科學數據收集（330秒數據收集）;

離開雲層（進入界面後520秒）;

持續數據傳輸/科學數據的再傳輸（約20分鐘持續時間）;

達到壓力容器設計極限，預期LOS（進入接口後約30分鐘）;

表面接觸（入口接口後約 3500–4000 秒）。

通過雲層及以下，科學數據將以優化的數據速率直接傳輸到地球。雲層以下的目標，例如繼續使用主儀器進行科學觀測或返迴環境數據的潛力，將僅在盡最大努力的基礎上執行。

6. 火箭實驗室任務的科學目標總結

該任務是近四十年來首次直接探測金星雲粒子的機會。即使有質量和數據速率的限制以及金星大氣中有限的時間，突破性的科學也是可能的。我們選擇了一種低質量、低成本的自燃濁濁度計（AFN），以滿足火箭實驗室任務的科學目標。

首要的科學目標是在金星雲中尋找生命或可居住性的證據。有兩個具體的科學目標：尋找雲層粒子中有機分子的存在，並確定模式3雲粒子的折射形狀和折射率（代表組成）。

原文連結https://www.mdpi.com/2226-4310/9/8/445/htm